覆蓋面積和網圍結構對水面蒸發抑制率的影響

李勛　嚴新軍　侍克斌

摘要：新疆地處僻遠的西北內陸地區，氣候干旱少雨，蒸發損失嚴重，對于水資源短缺的西北內陸地區來說，減少水資源的不必要損失迫在眉睫。為此開展了專項試驗研究，研究過程中，以減少水面蒸發、節約水資源為研究目標，選擇極性浮球作為防蒸發材料，以探究不同覆蓋面積和網圍結構對蒸發抑制率的影響。為了便于觀察和管理，將浮球分成兩組布置在水庫庫邊，每組各設5種不同的覆蓋面積，依次為0.28，0.43，0.60，0.79m2和1.02m2（覆蓋面積不包括白色網圍），記錄試驗期內不同風速下浮球的濕潤面積，并計算浮球的蒸發抑制率。試驗結果表明：蒸發抑制率與覆蓋面積和網圍結構有關，當采用三角形網圍且覆蓋面積為1.02m2時，蒸發抑制率最優，可達到83.8%;隨著覆蓋面積的增加，蒸發抑制率逐漸提高，當蒸發抑制率接近91%時，兼顧到結構的穩定性，就需要采用4.48m2的三角形網圍作為一個覆蓋單元來進行局部鋪設。

關鍵詞：覆蓋面積;網圍結構;水面蒸發;蒸發抑制率

中圖法分類號：P33

文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.021

文章編號：1001-4179（2019）03-0117-07

1 研究背景

自然界中水分蒸發無處不在，其主要受天氣氣象因素的影響，這些因素主要包括溫度、相對濕度、飽和水汽壓以及風速等。由于水資源的短缺，就使得如何保護好水資源、提高水資源的有效利用率成為全世界關注的重點。目前，水庫的節水問題主要分為兩類，即防滲漏和防蒸發。關于水庫防滲的問題，目前我國的應對技術已趨于成熟，比如鋪設土工膜并在枯水期對大壩和地基加以處理。因此，如何減少水庫不必要的蒸發損失，成為水庫節水面臨的主要難題，而關于水庫防蒸發問題的研究目前已取得了一些成績。

近年來，吳邦信、陳天祥等人以我國盛產的烏柏脂為原料制取了棕櫚酸、油酸的聚氧乙烯酰胺和氨基醇酰胺，用所得到的非離子型表面活性劑來抑制水面蒸。2001年，侍克斌等首次提出了采用苯板（泡沫塑料板）覆蓋旱區平原水庫進行防蒸發的理念，并分析了苯板在水面上的受力情況8。2006年，Alvarez等對不同顏色的單、雙層聚乙烯網和單層鋁網覆蓋水面的消減效果進行了研究，從而得知雙層要好于單層，而單層網的消減效果又與顏色有關，消減率從大到小依次是黑色、.藍色、綠色、白色;同時通過研究，得出了聚乙烯浮箱的防蒸發效果與不同顏色之間的關系。2008年，武金慧通過對比浮板與油蠟的節水效率，得出了板材類覆蓋物的節水效率較高的結論。2010年，寧夏大學田軍倉等研制出了一種能夠抑制水面蒸發的節水輕質混凝土板（塊），為了抗凍，將板或塊的底部形狀設計為下凸形，若水面積較小，即可全覆蓋水面;若水面積較大，則可覆蓋60%～85%的水面，在布置時，還需要栽植高大喬木樹來做防風處理。

Alam、Alshaikh利用棕櫚葉進行了抑制蒸發試驗以提高儲水效率，試驗結果表明，環境溫度直接影響著水體蒸發的速率。在將棕櫚葉單層覆蓋改為雙層覆蓋后，蒸發率約為58%，比單層覆蓋時減少了約19%。Assouline研究了局部覆蓋水面的防蒸發效果，結果表明，單開口的防蒸發效果要比等面積分布式小開口的防蒸發效果好。2013年，新疆農業大學的張永山、宋興亮分別利用塑料空心板和彩鋼夾芯板進行了防蒸發的試驗，并探究了覆蓋面積和連接形式對防蒸發效果的影響，使得水面防蒸發問題的研究又有了新的進展。2014年，新疆農業大學的張曉浩利用PVC浮板在水庫現場做了單板和群板的防蒸發實驗，并采用了一定的連接形式（柔性連接）將板材連接成具有一定強度的整體，取得了具有一定價值的研究成果。2014年，石河子大學的唐凱等研究了苯板在不同覆蓋率下的消減蒸發效果，由于苯板屬于脆性材質，應用于大型水庫時受風浪的作用而易被破壞，因此得出了將苯板應用于小水體時，其防蒸發效果較好的結論。2015年，新疆農業大學的李存立利用PVC泡沫浮板探究了覆蓋面積與防蒸發效果之間的聯系，得出了當板材連接成6m2時，其防蒸發效果與成本比值最優的結論。

通過總結和歸納前人的研究成果，發現目前對于浮球覆蓋水庫局部水面的節水效率尚不清楚，因此，本文將以極性浮球作為防蒸發材料，來探究浮球覆蓋水庫局部水面的節水效率。由于單體浮球穩定性較差，在小風浪作用下就會出現潤濕的情況，故在水體表面鋪設了網圍，以提高浮球的整體性，并從覆蓋面積和網圍結構兩個角度入手開展研究?？紤]到西北內陸地區缺水和水資源分布不均等問題，該研究結果對于有效節約水資源、提高水的有效利用率，以及對西北地區的發展將具有重要意義;同時，也將帶來巨大的社會經濟效益。

2 試驗地點氣象情況

試驗地點位于吐魯番市高昌區勝金鄉以西5km處的一座水土保持水庫，該處屬于典型的大陸性干旱荒漠氣候;西南與火焰山接壤，北部與天山山脈相鄰，地勢特點為北高南低中間凹，屬于典型的盆地地勢;四周高山圍繞，晝夜溫差大，多年平均降水量為15.6mm，而蒸發量卻高達2545.7mm。試驗期內，最高溫度為489C，最低溫度為12C，最大相對濕度為98%，最小相對濕度為2%，最大風速為13.7m/s，最小風速為0m/s，平均風速為4.9m/s，常見風速區間為0～3.3m/s，占試驗周期的75%。

3 試驗材料及方法

3.1 試驗材料

浮球的密度和穩定性決定了在風浪作用下的濕潤率，密度越大，穩定性越高，濕潤率越小。通過對現場4種浮球在風浪作用下的濕潤情況進行對比分析，選取了濕潤率最小的極性浮球作為防蒸發覆蓋物。同時，為了避免對水環境造成危害，選用的極性浮球（直徑為9.5cm，質量為50g，密度為0.111g/cm3）還應具備以下特性：無毒、密度適中可以漂浮于水體表面、斥水以及阻熱等。作為防蒸發覆蓋物，極性浮球具有以下優點：

（1） 由于球體表面為光滑的弧形結構，在風浪作用下不會發生疊摞現象;同時球體具有滾動性，可以改善擱淺庫邊和壩坡的現象。

（2） 當球體表面被潤濕時，球體表面的水分會迅速滑落到水中，只有少量水分會附著在球體表面，以有利于防蒸發。

（3） 極性浮球相對于其他普通浮球來說，球體為非對稱結構，重心在球中心的下部，風浪作用下的穩定性更好。

3.2 試驗原理

水體表面蒸發受風速、溫度、蒸發表面積等因素的影響，風速越大，溫度越高，蒸發表面積越大，蒸發速率越快，蒸發量就越大。浮球覆蓋水體表面可以直接阻擋太陽的輻射，降低水體表面的溫度，降低風速對水面的影響，同時也阻礙了水面與大氣之間的水分交換過程，大幅度減少了蒸發表面積，從而達到防蒸發的目的。但是由于浮球自身的穩定性較弱，當浮球在水面上漂浮時，在風浪的作用下易被潤濕，因而對防蒸發也會產生一定的負面影響。針對浮球穩定性弱的問題，采用了網圍結構的布置形式，并利用三角形穩定的特點對網圍結構加以優化改進，可以有效減小風浪作用對其造成的影響。上述分析表明，控制上述負面的影響因素并采用網圍結構的布置形式來抑制水面的蒸發，在實際工程中是可行的。

4 現場試驗和試驗數據分析

4.1 現場試驗

試驗期選在4～10月，共187d，基本上可以觀測到全年中出現的各級風速，并進行濕潤率的測量。為了確保試驗人員的人身安全，便于試驗期間的觀察和管理，將試驗材料布置在水位較淺的庫邊。試驗分為兩組（圓形網圍和三角形網圍）進行，每組各設有5種不同的覆蓋面積，依次為0.28，0.43，0.60，0.79m2和1.02m2（覆蓋面積不包括白色網圍）;單個浮球直徑所覆蓋的面積為S東=70.8821842cm2，每組網圍覆蓋個數依次為40，60，84，112個和144個。在試驗期內，風速區間為1.6～3.3m/s的天數有83d，占整個試驗期總天數（187d）的44%，因此該風速區間內浮球的濕潤情況會更具有代表性，可以更好地反映浮球在試驗期內大部分時間的濕潤狀況。表1和表2分別為試驗中的第1組和第2組浮球布置情況及浮球的濕潤率。

由表1和表2中的數據可知：①當網圍結構相同時，覆蓋浮球的數量越多，覆蓋的面積越大，濕潤率就越低;②當覆蓋浮球的數量和面積相同時，由于三角形網圍結構具有更好的穩定性，因而三角形網圍內的浮球濕潤率較低。

4.2 試驗現場布置圖

在試驗現場，將浮球分成兩組布置在庫邊，每組各設有5種不同覆蓋面積的網圍（三角形網圍和圓形網圍），依次鋪設。每組組內網圍覆蓋個數依次為40，60，84，112個和144個，覆蓋面積依次為0.28，0.43，0.60，0.79m'2和1.02m2（覆蓋面積不包括白色網圍）。試驗球布置狀況如圖1～3所示。

4.3 試驗數據分析

在試驗期內，風速是由VC816B型風速儀所測得的試驗現場風速，將試驗期內的風速情況歸結為天（d）來計算，試驗期的風速數據如表3所列。

靜止時，水平面以，上的面積為可濕潤的面積。觀察并記錄下了浮球在不同風速下、水平面以上被水打濕的面積，亦即濕潤面積，并計算出了浮球的平均濕潤率。表4，5分別為圖形網圍和三角形網圍內浮球在不同風速區間內的平均濕潤率。圖4，5分別為圓形網圍和三角形網圍內的浮球在不同風速區間內平均濕潤率的三維圖和俯視圖的展示。

由表4，5、圖4，5可以看出：

（1） 當風速≤1.5m/s時，浮球就會出現局部被潤濕的情況，原因是單體浮球的穩定性較差，出現了不規則的搖擺;

（2） 隨著風速的增大，浮球的濕潤面積逐漸增大;

（3） 在同一風速區間內，覆蓋面積越大，浮球的平均濕潤面積越小。

對比兩種網圍結構，不難看出，三角形網圍內的浮球平均濕潤率較低，具有更好的防蒸發效果;可是當風速達到10.8m/s時，浮球基本上全部濕潤，無法進行防蒸發。

4.4 試驗數據的離散度分析

借助于STDEVP離散度分析法，對試驗階段內的極性浮球在不同風速下的平均濕潤率進行了分析，分析結果見表6和表7。

對觀測數據進行的STDEVP分析，反映了樣本總體相對于平均值的離散度。通過對兩種網圍結構內不同覆蓋面積下浮球平均濕潤率的離散度分析，可以得出以下結論：

（1） 當風速≤1.5m/s時，離散度較小;

（2） 當風速≥10.8m/s時，離散度為0;

（3） 總體隨著風速的變大，離散度呈現出先增大后減小的趨勢;

（4） 當風速相同時，離散度與覆蓋面積呈現出負相關性;

（5） 當風速和覆蓋面積均相同時，三角形網圍內浮球濕潤率的離散度較小。

綜上所述，網圍結構越穩定，覆蓋面積越大，離散度越小，誤差就越小。經分析，造成觀測數據波動的原因主要有以下幾點：

（1） 由于覆蓋物為球體，穩定性較差，在風浪中會發生隨機性擺動，因而造成觀測數據（濕潤率）波動較大，從而出現了誤差;

（2） 受試驗條件、觀測手段和觀測角度的限制，也會產生一定的誤差，從而造成數據的波動。

4.5 浮球蒸發抑制率計算

4.5.1 靜止狀態下最大蒸發抑制率的計算

在進行現場試驗的過程中發現，當浮球在網圍內緊密排列漂浮時，浮球直徑所覆蓋的平面面積為浮球最大水平覆蓋面積，最大水平覆蓋面積與球體之間的空隙面積之和為影響蒸發面積。具體如圖6，7所示。

大面積覆蓋下浮球呈現三球接觸狀態，每3個浮球之間有一個空隙，則每個浮球影響該空隙的1/3，周圍共6個空隙，相當于一個浮球影響6x1/3=2個空隙。由此可以求出浮球的蒸發抑制率，見公式（1）。

公式

式中，η為單個浮球的蒸發抑制率，%;Sg為單個浮球的最大水平覆蓋面積，m2;S為單個浮球的影響蒸發面積，m2;R為球體的半徑，cm;n為扇形的圓心角，n=π/3。

經計算，浮球的覆蓋率約為91%，即防蒸發系數為0.91，在其覆蓋區域內（不包含網圍）空隙率為9%。在浮球直徑不變的基礎上，隨著覆蓋浮球數量的變化，覆蓋面積也會變化，覆蓋率不變。

4.5.2 綜合蒸發抑制率的計算

現場試驗結果表明，風速是決定浮球濕潤率的主導因素。本文研究中，主要是考慮不同風速下浮球的防蒸發系數w;，可由下式計算獲得：

公式

式中，n;為不同風速出現的天數，d;N為試驗期的總天數，d;l;為浮球在不同風速下的平均濕潤率，i值分別取1，2，3，4，5，6。

對于試驗期內的綜合蒸發抑制率，可根據下式計算得出：

公式

式中，η綜合為極性浮球在試驗期內的綜合蒸發抑制率，%。

通過計算，得出了試驗期內不同風速條件下的防蒸發系數。詳見表8。

由表8可以看出：①橫向對比，隨著浮球覆蓋面積的增大，浮球的防蒸發系數也在增大，防蒸發效果更好;②縱向對比，在浮球覆蓋面積相同時，三角形網圍內的浮球防蒸發系數較高，防蒸發效果也更好。

4.5.3 擬合防蒸發系數與覆蓋面的關系曲線

利用最小二乘法（OLS），對浮球覆蓋面積和防蒸發系數進行曲線擬合并建立了回歸方程，對所得到的相關關系式及相關系數進行了計算，結果如圖8所示。

由圖8可以看出，覆蓋面積與防蒸發系數呈對數關系，而且相關性顯著;相關系數分別為：Rg圓形=0.9987，R三角形=0.9990。根據數據擬合出的相應關系曲線方程式分別為

公式

由關系曲線可知，兩個函數式均為單調遞增函數，隨著浮球覆蓋面積的增大，浮球的防蒸發系數也隨之增大，而且增加的幅度逐漸變緩。根據上述公式進行計算可知當防蒸發系數接近于0.91時，若采用圓形網圍覆蓋，覆蓋面積為17.08m2;若采用三角形網圍覆蓋，則覆蓋面積為4.48m2，其穩定性也高于圓形網圍。故在保證最大防蒸發效果的同時，還應兼顧到結構的穩定性，以避免大面積連接所造成的成本和技術難度的增加。綜上所述，防蒸發的最佳方法是采用4.48m2的三角形網圍為一個覆蓋單元，進行局部鋪設。

5 結論與建議

5.1 結論

本次試驗研究是以節約水資源為研究目標，采用浮球覆蓋干旱區平原水庫進行防蒸發節水試驗，以探究不同覆蓋面積不同網圍結構形式下的節水效果，得到了以下結論。

（1） 隨著覆蓋面積的增大，網圍結構的穩定性增強，防蒸發效果越好;

（2） 當覆蓋面積為1.02m2并采用三角形網圍布置時，防蒸發效果最好，防蒸發系數為0.838，即蒸發抑制率為83.8%;

（3） 根據相關公式的計算結果可知，隨著覆蓋面積的增加，防蒸發系數逐漸增大，當防蒸發系數接近于0.91時，若采用圓形網圍覆蓋，覆蓋面積為17.08m2;若采用三角形網圍覆蓋，覆蓋面積為4.48m2，其穩定性也高于圓形網圍。

根據本文的試驗結果，認為在保證防蒸發效果最優的同時，還需要兼顧到結構的穩定性，以避免大面積連接所造成的成本和技術難度的增加。根據試驗結果，建議采用4.48m2的三角形網圍為一個覆蓋單元，來進行局部鋪設。

目前，市場上的浮球大多以PE或PVC材料為主，成本低、耐久、無毒，不會對水生態環境造成破壞，而且還具有很好的防蒸發效果，可在實際工程中或者水資源缺乏的地區推廣使用。

5.2 建議

針對浮球自身穩定性弱的缺陷，還可以從以下幾個方面開展進一步的試驗研究。

（1） 將浮球3個為一組，使其兩兩接觸固定，這樣既能夠滿足三球接觸的狀態，也避免了浮球的不規則擺動和翻滾。

（2） 浮球在實際應用中，由于其自身表面所具有的弧形結構，使其無法達到100%覆蓋。因此，在試驗過程中，可以采用直徑不同的浮球進行覆蓋，以探究其防蒸發的效果。

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引用本文：李勛，嚴新軍，侍克斌.覆蓋面積和網圍結構對水面蒸發抑制率的影響[J].人民長江，2019，50（3）：117-123.

Influence of coverage area and enclosure structure on suppression rate of water-surface evaporation

LI Xun，YAN Xinjun，SHI Kebin

（College of Hydraulic and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：Xingjiang is located at the remote northwest China inland regions where the weather is dry and lack of rainfall，and it experiences serious evaporation loss. For the regions like this，it is urgent to reduce unnecessary loss of water resources，and to this end，we carried out a special experimental study. The purpose of the experiment is to reduce water-surface evaporation andto conserve water resources. We selected polar floating ball as anti-evaporation material，and explored the influences of different coverage areas and enclosure structures on suppression rate of evaporation. We divided the floating balls into two groups and placed them near the reservoir for better observation and management，and then set up five different coverage areas（i.e. 0.28，0.43，0.60，0.79，1.02 m2） for each group（coverage areas exclude white enclosure structure）. We then recorded humidity ar-ea under different wind speed，and calculated the suppression rate of evaporation of the floating balls. The results showed that the suppression rate of evaporation is related to the coverage area and the enclosure structure. W hen applying triangle enclosure with coverage area of 1.02 m2，the suppression rate of evaporation is 83.8%，which reaches its optimal rate. As the coverage area in-creases，suppression rate of evaporation gradually increases. When the suppression rate approaches 91 %，considering the stability of the structure，a 4. 48 m2 triangular enclosure structure should be used as a covering unit for partial placement.

Key words：coverage area;enclosure structure;water-surface evaporation;evaporation suppression rate